在现代飞行器设计中,结合CFD(Computational Fluid Dynamics)技术与数值优化理论的气动外形优化设计方法已经成为提升飞行器气动性能非常重要的手段。基于代理模型的优化方法由于具备高效全局优化以及处理多目标问题的能力,在气动外形优化设计领域占有举足轻重的地位。随着设计师对卓越气动性能的不断追求,气动优化设计问题的复杂性日益凸显,基于代理模型的气动优化方法面临着新的问题和挑战。从设计空间层面来看,设计对象需要充足的变形范围(尺度)以满足全局优化和创新设计的要求,同时需要足够的设计变量数目(维度)以实现对复杂外形的精确控制。设计空间尺度和维度的增加会导致设计空间急剧膨胀,从而给代理模型气动优化的效率和能力带来严峻的考验。从目标空间层面来看,设计对象需要更多的优化目标以应对飞行器愈加苛刻的性能指标。目标空间维度的增加会导致多目标优化算法的性能急剧下降以及Pareto最优解集可视化的难度增大。围绕上述问题,本文对基于代理模型的高效气动优化与高维多目标问题开展了研究,首先研究了基于代理模型气动优化的基本方法和关键技术,然后对代理模型气动优化方法所面临的设计空间尺度、维度以及目标空间维度等关键问题进行了深入研究,并提出了相应的解决方法和设计思路,拓展了代理模型气动优化方法的工程应用价值。本文的主要研究内容如下:1.构建了具备飞行器复杂外形单目标/多目标优化能力的代理模型气动优化设计平台。对基于代理模型气动优化设计方法中的基本要素开展了研究,包括外形参数化、网格变形、气动特性计算、单目标/多目标优化算法、代理模型以及代理模型加点优化方法等,并重点对其中的关键技术进行了分析和改进。针对翼型参数化问题,研究了基函数线性叠加类翼型参数化方法,通过对UIUC翼型库中1300个标准翼型的拟合,发现POD正交基向量法和CST方法可以更好地描述具有翼型几何特征的设计空间。针对三维外形参数化问题,构建了基于多块控制框的FFD(Free-form Deformation)方法,具备了飞行器复杂构型自由变形的能力。针对网格自动变形问题,开发了耦合四元数的IDW(Inverse Distance Weighted)动网格方法。通过IDW-TFI分层混合变形,稀疏边界网格以及MPI并行计算等加速变形策略,实现了大规模多块结构网格的高效高鲁棒自动变形。深入研究了Kriging模型的构造原理及其加点准则,从最大似然估计、贝叶斯推理以及最小方差无偏估计等三种不同角度出发构建了统一形式的Kriging模型,然后分析了模型超参数、原始问题复杂程度和样本疏密程度对Kriging模型精度影响的规律,进而指出基于代理模型气动优化设计的主要矛盾是全局优化对高维、大尺度设计空间的需求与样本的稀疏性之间的矛盾。针对EI加点准则收敛缓慢的问题,提出了混合EI准则和MP准则的加点方法,在EI准则的框架内提高了收敛速度。2.针对代理模型气动优化方法在大尺度设计空间难以兼顾高效性和全局性的问题,提出了自适应设计空间扩展的气动优化设计方法。研究了设计空间尺度对代理模型气动优化结果的影响,揭示了传统代理模型气动优化方法难以兼顾高效性和全局性的问题,进而提出了自适应设计空间扩展的优化设计方法。该方法在动态的设计空间中进行优化搜索,通过自适应地扩展设计空间边界,实现了大尺度设计空间中样本的高效配置。通过NACA0012翼型和RAE2822翼型单目标以及多目标气动优化算例证实,自适应设计空间扩展的方法相对于传统固定设计空间的方法可以大幅提高气动优化设计的效率。3.针对代理模型气动优化方法在高维设计空间面临的“维度灾难”问题,提出了有效设计空间缩减的气动优化设计方法。研究了设计空间维度对代理模型气动优化结果的影响,揭示了代理模型气动优化方法面临的“维度灾难”问题,进而提出了有效设计空间缩减的优化设计方法。该方法采用有效样本提取有效设计空间,利用K-L变换重构有效设计空间,通过在优化过程中逐步缩减有效设计空间缓解了代理模型气动优化方法的“维度灾难”困境。通过48维设计变量的NACA0012翼型优化算例和99维设计变量的CRM(Common Research Model)全机复杂构型优化算例证实,有效设计空间缩减的方法可以明显提升高维设计空间中代理模型气动优化设计的能力。4.针对高维多目标气动优化设计问题,提出了面向工程设计的高维多目标粒子群(MaOPSO)算法,并发展了基于SOM的高维Pareto前缘可视化方法。MaOPSO算法融合了目标降维、分组和分解的思想,利用目标相关性分析和试验设计方法将高维多目标优化问题转换为一系列双目标子优化问题,在保证一定多样性的前提下,大幅提高了非支配解集的收敛性。通过3-10个目标的DTLZ-2函数测试证实,MaOPSO算法的综合性能优于MOPSO、MOEA/D以及NSGA-III等算法。基于SOM的高维Pareto前缘可视化方法通过自适应聚类将高维目标向量映射到二维平面,为设计者的分析和决策提供了全局视角。利用MaOPSO算法和SOM可视化方法对SC1095旋翼翼型以及NACA64A204战斗机翼型进行了高维多目标气动优化设计,设计了满足工程复杂设计要求的先进旋翼翼型和先进战斗机翼型,并对战斗机翼型的设计结果进行了风洞试验验证。